★ 北京力控元通科技有限公司

關鍵詞：智慧水務；Force-STEM模型；節能降耗；信創

1   引言

在新型城鎮化與智慧城市建設的持續推進下，污水處理作為城市基礎設施的重要環節，正面臨著日益嚴峻的挑戰。 一方面，國家“雙碳”戰略對水務行業的節能降耗提出了明確要求，污水處理廠作為高耗能設施，其電耗和藥耗的優化空間亟待挖掘；另一方面，出水排放標準不斷提高，傳統依賴人工經驗的運營模式已難以滿足精細化、穩定化的管控需求。

從技術層面看， 傳統污水處理模型存在諸多瓶頸：模型參數繁多且難以確定，多個參數無法直接測量，模型數據無法與實際水質指標有效結合，模型模擬難以實現自動校準和快速回溯。這些問題導致先進的工藝模型在水廠的實際應用中“落地難”，運行人員仍主要依靠經驗進行調控，儀表覆蓋不足、監測盲區普遍存在，曝氣過量與藥劑浪費現象突出。

在此背景下，力控科技以自主研發的Force - STEM模型優化控制系統為核心，融合SCADA監控、實時數據庫、數字孿生等關鍵技術，構建了覆蓋供水、排水、廠站智能控制全業務場景的智慧水務整體解決方案，為水務企業的節能降耗與數字化轉型提供了系統性的技術路徑。

2   力控智慧水務整體解決方案

力控智慧水務解決方案聚焦水務全業務場景，提供從自動化監控到智能化的全棧技術體系，覆蓋水廠監控、泵站調度、管網監控管理、生產運營管理等核心環節。方案遵循水務行業生產管理體系及信息安全接口標準規范，全面結合企業實際信息化、自動化設施基礎，構建統一的“智慧水務”管理平臺。

2.1   核心產品矩陣

eForceCon SCADA平臺：分布式架構設計，支持50萬點/秒數據處理能力， 兼容6000+種工業協議，內置水務專業圖庫與行業套件，可滿足從單廠監控到集團級跨地域協同管控的需求。

pSpace實時歷史數據庫：采用高壓縮比時序數據存儲技術（壓縮比達50:1），支持跨平臺兼容（包括銀河麒麟、統信UOS等國產操作系統），支持級聯部署，為生產數據中樞和集團級水務管控提供高效的數據管理基礎。

FinforWorx一體化管控平臺： 集數字孿生集成、Web組態開發、GIS融合、移動端協同、低代碼開發于一體，支撐智慧水務綜合運營、數字孿生和智能化應用。

Force-STEM算法智控平臺（核心）：以工藝模擬深度挖潛為核心， 采用“核心算法、 一廠一策”的策略， 可基于工業互聯網實現專家診斷及算法優化，是力控智慧水務方案的技術制高點。

ForceSCADA信創SCADA平臺：通過信創認證， 安全可靠、靈活易用， 全面覆蓋水廠監控、泵站調度等國產化信創場景。

2.2   整體技術架構

如圖1所示，方案采用五層架構設計：

（1）設備感知層部署PLC、RTU、智能儀表等現場設備，實現數據采集與指令執行；

（2）基礎設施層提供服務器、網絡、云服務及安全系統支撐，滿足等保2.0及信創體系建設要求；

（3）服務平臺層通過協議服務（協議封裝、報文解析）、采集/監控服務（調度、遠程監控、預警報警）、應用系統服務（安全認證、業務流程管理、3D引擎、報表）、業務系統服務（pSpace實時/歷史數據庫、多媒體信息庫）及數據服務（消息隊列、權限設置、資產模型、視頻服務）， 實現數據全鏈路管理；

（4）業務應用層以一體化平臺為核心， 涵蓋SCADA基礎應用（工藝流程監控、報警管理、趨勢分析、水質監測、報表管理）和綜合運營管理（水務生產調度、能源管理、設備管理與遠程運維、數字孿生應用、水務門戶與移動應用），并通過Force-STEM實現智能優化控制—精確曝氣（AAS-QV）、智能加藥（IDS）、泵站提升優化及工藝仿真與預測；

（5）展示交互層通過對內管控平臺（客戶端、移動終端、應急指揮中心、GIS定位、視頻監控、大屏幕）和對外服務門戶（網站、移動App、微信），實現多端協同展示與業務交互。

圖1 力控智慧水務整體架構圖

3   Force-STEM模型優化控制系統

3.1   模型緣起與核心優勢

Force -STEM模型（Sewage  Treatment Engineering Model）由施漢昌教授帶領的專家團隊研發，在積累了多年國際模型研究和應用經驗的基礎上，針對國內污水處理廠工藝模擬與智能控制發展需求而提出。該模型借鑒了國際先進的ASM系列模型（ASM1、ASM2D等）及其經典模型思想，結合國內污水處理廠實際運行特點，創造性地提出了一套能夠結合常規指標數據進行矯正分析的工程模型。 Force-STEM整體架構圖如圖2所示。

與傳統污水處理模型相比， Force-STEM模型實現了四個維度的突破：在模型結構上， 將動力學直接結合反應器流態， 突破了傳統模型動力學與流體力學分離的局限；在參數體系上，常規參數可檢測或在線監測、可計算， 解決了傳統模型參數多且無法直接測量的問題；在校準機制上， 實現連續校準與連續匹配， 克服了傳統模型無法自動校準的短板；在應用模式上， 與大數據和人工智能技術深度融合， 支持快速反應與實時表達，彌補了傳統模型無法快速應用與回溯的不足。

圖2 Force-STEM整體架構圖

3.2   三大核心功能

模型仿真：通過模型在線仿真，填補生化池沿

程上的監測盲區， 以虛擬儀表的形式彌補現場儀表數

量和種類的局限，為工藝分析提供全流程數據支撐。在線控制：在線仿真結果（如曝氣量設定值、加藥量設定值）實時輸出給精確曝氣和加藥控制系統，及時調整工藝運行，實現從“預測”到“控制”的閉環。

預測未來： 基于實時數據與模型推演， 可預測未來12～24小時的過程參數和出水結果，為運行人員提供前瞻性決策依據。

3.3   三大優化控制模塊

Force-STEM模型圍繞污水處理廠能耗藥耗高、出水超標等核心問題，形成了三大優化控制模塊：

智能曝氣控制系統AAS - QV：采用“前饋+反饋+末端保護”三級控制結構，基于進水負荷指導曝氣調控，氣水比可低至1~2:1，曝氣單耗可低至0 . 12~0 . 16kWh/m3 ,生化池曝氣節能約10%～15%。核心算法堅持” 一廠一策”，可基于工業互聯網實現專家診斷及算法優化。

智能加藥控制系統IDS：在溶解氧和硝酸鹽氮控制的基礎上，采用反饋加前饋的控制方式對碳源投加和除磷加藥進行穩定控制。反饋控制確保出水穩定在目標范圍，前饋系統應對進水負荷變化造成的沖擊，總出水儀表提供警戒保護。實際應用中碳源可節省10%，除磷藥劑可節省8%，投資回收期1～2年。

泵站提升優化：基于Force-STEM多動力系統最優運行的“調速定理”（分配定理）、“切換定理”和“穩定判據”（最優能效曲線）等基礎理論模型，實現多個動力最優負荷分配及臺數切換，預知系統運行能效。該技術已為南水北調泵站、水廠及全國廠礦企業等領域提供節能服務。

圖3 精確曝氣三級控制結構圖

4   典型應用場景與關鍵技術

4.1   場景一：精確曝氣控制

某再生水廠設計規模6.5萬噸/天，采用多段AO+MBR+催化氧化工藝，出水水質執行地方A標準。進水COD 300~400mg/L、TN 50~70mg/L、氨氮40~50mg/L、TP 5~7mg/L。項目部署Force- STEM精確曝氣控制系統，構建了三級控制體系如圖3所示：

第一級—前饋開環控制：基于入口氨氮和進水流量計算進水氨氮負荷，通過數學模型計算需氣量，確保預期的空氣供應校正，應對污染負荷的不斷變化。

第二級—中間反饋閉環控制： 基于曝氣池中端DO值進行空氣供應微調，將DO控制在設定范圍內。系統新增4臺DO傳感器部署于好氧池關鍵位置， DO控制精度可達設定值的±0.3mg/L范圍內。

第三級—末端反饋閉環控制：利用出水COD、氨氮、總氮數據作為末端反饋校正，形成保護性二級反饋，前饋與反饋互為冗余，確保系統在儀表故障或數據異常時仍能穩定運行。

鼓風機控制采用總流量調節方式，根據動態計算的總風量，通過3臺空浮鼓風機編組控制每臺風機的啟停和頻率，在風機可調范圍內優化運行。系統充分考慮調節過程對管路壓力的沖擊影響，優化設置流量調節步長，有效避免鼓風機喘振。項目實施后，鼓風機噸水能耗降低超過8%，實際節能效果可達10%～15%，出水水質穩定達標。

4.2   場景二：智能加藥控制

某企業循環水場智能加藥及水處理效果監控平臺項目，以力控pSpace實時歷史數據庫為數據管理核心、FSmartWorx可視化平臺為人機交互界面，統一接入2套智能監測換熱器、2套智能加藥裝置及1套智能水質分析系統的全量數據。系統構建了循環水系統的腐蝕、結垢與污染預測模型，基于模型動態優化加藥策略，實現藥劑的智能投加。智能加藥控制系統結構圖如圖4所示。

平臺功能涵蓋數據采集、駕駛艙可視化、實時監控、智能加藥、數據統計和報警管理六大模塊。其中智能加藥模塊作為系統核心，將模型預測結果進行呈現，并依據分析對加藥設備進行自動或手動控制， 實現精準、高效的智能加藥，同時為加藥趨勢提供優化方案。項目同步開展信創體系建設，基于pSpace-Linux版本部署于銀河麒麟操作系統，全面響應國家信創政策要求，提升企業生產運行安全與自主可控水平。

項目實施后，實現了循環水處理全過程智能調控與穩定運行， 大幅減少了人工取樣頻率和化驗工作強度， 有效節約了人工及藥劑成本，保障了生產設備。

圖4 智能加藥控制系統結構圖

4.3   場景三：泵站能效優化

基于Force-STEM多動力系統最優運行理論，泵站提升優化模塊實現多個動力的最優負荷分配及臺數切換， 預知系統運行能效。該技術已在鋼鐵、市政供水、居民小區二次供水、中央空調循環水等多個領域廣泛應用，節電效果顯著，不同場景下節電率達24%～68%，為各行業泵站節能提供了成熟可靠的技術方案。

5   應用成效與行業價值

Force-STEM模型優化控制系統已在多個污水處理廠及循環水廠成功應用，覆蓋AAO、多段AO、 MBR等多種主流工藝，處理規模從1萬噸/天到45萬噸/天不等，展現出廣泛的工藝適應性和規模適用性。

5.1   綜合效益匯總

綜合各項目實際運行數據， Force-STEM模型優化控制系統的應用效益見表1。

表1 Force-STEM模型優化控制系統綜合效益匯總

從應用成效來看， Force-STEM模型優化控制系統不僅在節能降耗方面效果顯著—曝氣環節節能10%～15%、碳源和除磷藥劑分別節省10%和8%，更在穩定出水水質、提升管理效率、降低人工依賴等方面展現出綜合價值。系統投資回收期僅為1～2年， 具備良好的經濟可行性。為水務行業的綠色低碳發展作出了實質性貢獻。

6   總結與展望

力控科技Force-STEM模型優化控制系統以國際先進的ASM系列模型為理論基礎，結合國內污水處理廠實際運行特點，通過工藝孿生與物理孿生的深度融合， 實現了從數據感知、模型仿真到智能控制的閉環體系。方案在精確曝氣、智能加藥、泵站優化等核心場景中均取得了顯著的應用成效，節能降耗指標行業領先， 出水水質穩定達標，投資回收期短，在智慧城市水務領域具有突出的典型性和代表性。

在信創生態方面，力控SCADA產品、實時歷史數據庫、一體化管控平臺、算法智控平臺全面支持銀河麒麟、統信UOS等國產操作系統，適配鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯等國產芯片架構，構建了“芯片—系統—應用”全鏈條信創生態， 為水務行業的自主可控提供了堅實保障。在產學研協同方面， 力控科技與清華大學科研團隊聯合研發，持續推動模型算法的迭代優化，保持了技術先進性。

未來， 力控科技將繼續深化Force-STM模型在更多工藝場景中的應用，強化人工智能與大數據的融合能力，拓展工業互聯網遠程運維與專家診斷服務，以技術創新持續賦能水務行業的智能化轉型， 為智慧城市建設貢獻更大的力量。

摘自《自動化博覽》2026年7月刊